左鎖骨下動脈的血流動力學分析

陸京伯 蒲 佐 趙 奇 鄧黎嚴琰

中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院深圳醫(yī)院血管外科，廣東 深圳 518057

近年來隨著生活水平提高，心血管疾病已成為威脅人類健康的頭號殺手，而動脈粥樣硬化是眾多心血管疾病的共同病因。左鎖骨下動脈狹窄是血管外科常見疾病。左鎖骨下動脈竊血綜合征是指左鎖骨下動脈的椎動脈起始段近心端發(fā)生部分性或完全性閉塞時，由于虹吸作用，引起左側(cè)椎動脈血液逆流進入左上肢，導致椎—基底動脈缺血性發(fā)作和左上肢的缺血癥狀。研究顯示血流動力學不僅調(diào)節(jié)血管幾何形狀和結(jié)構，而且還是影響不同種類血管疾病（如動脈粥樣硬化和動脈瘤）發(fā)展的主要因素[1-3]。其中，特別重要的是血流動力學中的血管壁面剪切力作用，后者是血液與血管內(nèi)皮摩擦產(chǎn)生的力。血管壁面剪切應力在動脈粥樣硬化形成中起著重要作用，而且在血管的重構及血管植入物后內(nèi)膜增生過程中起主要作用[4-6]。研究血管內(nèi)血流動力學模式，對探究血管病變的機理具有重要的意義。近年來，流體動力學仿真（computational fluid dynamics,CFD）在心血管生物力學研究中得到廣泛應用，通過對醫(yī)學圖像進行三維重建血管幾何模型，然后利用CFD 算法求解計算流體力學模型，可以對血管內(nèi)血流動力血參數(shù)進行快速評估，成為研究血流動力學的重要方法。研究通過對正常人主動脈弓進行計算機斷層掃描（computed tomography，CT），并進行三維重建，通過CFD 方法對主動脈和左鎖骨下動脈的血流動力學進行分析，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院深圳醫(yī)院2019 年1 例老年男性主動脈計算機體層血管成像（CT angiography，CTA）DICOM 格式圖像資料建立左鎖骨下動脈實體模型。采用flash 雙源CT，掃描范圍覆蓋胸主動脈弓及左鎖骨下動脈近端的所有區(qū)域。然后使用開源圖像分割與配準 庫（insight segmentation and registration toolkit，ITK）對DICOM 數(shù)據(jù)進行三維重建。使用ITK 的二值閾值算法（binary threshold）對圖像進行分割，然后利用連通區(qū)域算法（connected component）提取主動脈弓區(qū)域。利用開源三維圖像處理可視化庫（visualization toolkit，VTK），把分割后的主動脈弓區(qū)域轉(zhuǎn)化成STL 文件，并導入CFX前處理器進行流體網(wǎng)關劃分。

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

在CFX 前處理器中對主動脈進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，血液黏度采用0.00035 PaS, 主動脈弓入口設置為法向流速，流速設為最大流速0.8 m/s，為了使用CFD 模型易于收斂，其他主動脈分支出口設置為相對壓力為0。對模型采用CFX 的偽瞬態(tài)算法（false transient algorithm）進行血流穩(wěn)態(tài)模擬。

1.3 判定指標

動脈粥樣硬化與遺傳易感性和全身性因素（如高血壓，高脂血癥，吸煙等）有關。但動脈粥樣硬化斑塊主要發(fā)生在紊流區(qū)，如分叉和彎曲部位附近，不能用全身性因素來解釋。Melek 等[3]研究表明，動脈粥樣硬化通常在剪切應力低于0.1 Pa 區(qū)域發(fā)展。

1.4 統(tǒng)計學方法

采用描述性統(tǒng)計學方法，計數(shù)資料采用n表示。

2 結(jié)果

2.1 流體剪切力

血管壁面流體剪切力圖1 顯示，左鎖骨下動脈的壁面剪切力為0.078 Pa，在三個分支血管中屬于最小水平。在相同的生理條件下，左鎖骨下動脈的壁面剪切力偏低。在動脈中，低剪切力抑制血管內(nèi)皮細胞一氧化氮合成酶生成導致內(nèi)皮細胞凋亡。

圖 1 血管壁面流體剪切力圖

2.2 流線圖

血管內(nèi)血流流線圖2 顯示，部分主動脈內(nèi)血流呈三維螺旋向前運動，且血流速度峰值保持在1.5 m/s，而且左鎖骨下動脈內(nèi)血液流動不發(fā)生螺旋向前運動，流線幾乎趨于直線，峰值流速不高于1.2 m/s。在相同的生理條件下，直線的流體模式對血管壁的沖刷低于三維螺旋向前的流體模式，對血管內(nèi)壁沖刷率低直接導致低剪切力區(qū)域形成，持續(xù)地低剪切力更易誘發(fā)動脈粥樣硬化病變。

圖 2 血管內(nèi)血流流線圖

3 討論

Goubergrits 等[7]對年齡28～38 歲健康年輕人的頸動脈中進行超聲測量發(fā)現(xiàn)，測量的頸動脈中膜厚度與局部剪切應力之間存在顯著的反比關系。Malek 等[3]研究發(fā)現(xiàn)低剪切力導致血管內(nèi)壁NO 合成酶抑制，加速內(nèi)皮細胞凋零，降低損傷內(nèi)皮細胞的修復能力，導致脂質(zhì)進入并沉積于中膜。本研究結(jié)果顯示，老年男性左鎖骨下動脈的壁面剪切力為0.078 Pa，相對于其他周邊動脈血管，左鎖骨下動脈出現(xiàn)低剪切力流體動力學模式，在微觀層面左鎖骨下動脈內(nèi)皮細胞一氧化氮合成酶由于低剪切力而被抑制，從而導致內(nèi)皮細胞自我修復能力相對于其他周圍動脈血管的修復能力降低，由此可以推測，左鎖骨下動脈有更高的風險誘發(fā)動脈粥樣硬化[3,7]。

目前針對左鎖骨下動脈血流動力學研究較少，由于動脈粥樣硬化所致頸動脈狹窄易發(fā)生在頸動脈分叉處，雖然較早對該部位的血流動力學進行研究，但是早期頸動脈血流動力學研究均基于廣泛采用的Y 形平均頸動脈分叉模型（Y shaped average human carotid bifurcation，Y-AHCB）[6]。 雖然該模型在一定程度上反映了頸動脈分叉處的解剖特征，但是與實際解剖仍然不符。后來，丁祖榮等[8]基于對頸動脈標本的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，提出更先進的TF-AHCB 模型，后者被廣泛采用。盡管如此，由于血液流場會隨著血管幾何模型的細微改變而發(fā)生變化，因此個性化的血流動力學參數(shù)必須基于精確的三維實體模型[6]。隨著CT 技術的普及和Mimics 等圖像編輯處理軟件的誕生，使得對目標血管的CFD 分析得以實現(xiàn)。近年來，研究對Stanford B 型主動脈夾層的進行血流動力學分析，以便于分析復雜主動脈夾層的血流動力學特征，并了解主動脈內(nèi)剪切力和主動脈夾層發(fā)生之間的關系[9-10]。但現(xiàn)有研究均為小樣本量，且多在理想狀態(tài)下進行，故尚不足以得出明確結(jié)論。

人體動脈的分叉、彎曲及狹窄是動脈粥樣硬化病變常見部位。壁面剪切力通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的生長增殖，在血管重構及炎性反應的病理生理中起著重要的作用。人體動脈分叉、彎曲及狹窄部位的剪切力被擾亂的層流取代，后者強化了通過Jun 激酶及核因子κB 活化所致的血管內(nèi)皮炎性反應，從而導致動脈粥樣硬化進一步發(fā)展[11-12]。由于血管內(nèi)皮細胞與平滑肌細胞是構成血管壁的重要細胞成分，壁面剪切力還可在細胞水平調(diào)節(jié)血管病理生理活動。血管內(nèi)皮細胞既作為感應細胞感受血液中的炎性信號和血流產(chǎn)生的剪切力、壓力等機械刺激，又作為效應細胞影響血管平滑肌細胞活動。研究表明，低壁面剪切力通過血管內(nèi)皮細胞介導的旁分泌途徑產(chǎn)生的人血小板衍生生長因子BB 上調(diào)平滑肌細胞人血小板衍生生長因子BB 和轉(zhuǎn)化生長因子-β1 表達，后者通過旁分泌和自分泌影響血管內(nèi)皮細胞自身的增殖與遷移。最終，低壁面剪切力通過血管內(nèi)皮細胞和平滑肌相互作用誘導血管重塑[13]。

本研究通過對左鎖骨下動脈CT 模型進行數(shù)值仿真分析，獲得了左鎖骨下動脈、頭臂干動脈和左側(cè)頸總動脈的壁面剪切力和血管內(nèi)血流流線圖的分布和變化。動脈粥樣硬化斑塊更易在低剪切力區(qū)域發(fā)展[14-15]。在相同的血液狀態(tài)下，左鎖骨下動脈自身幾何形態(tài)造成了其血液流動狀態(tài)異于頭臂干動脈和左側(cè)頸總動脈，導致血管壁面剪切力偏低，從而血管狹窄概率增加。因此，基于CT 圖像的左鎖骨下動脈模型具有數(shù)字化、個性化特征，可用于左鎖骨下動脈血流動力學模擬研究。